CN203457043U - 交互式pfc升压拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种交互式PFC升压拓扑电路，包括由输入电路、整流电路、PFC主电路和输出电路构成的主回路，以及由采样放大电路、MCU主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路，PFC主电路由第四储能电感、第四开关器件、第五开关器件、第六整流二极管和第三储能电容构成，本实用新型PFC主电路的第四开关器件和第五开关器件在交替导通和关断的过程中，共用一个由单个储能电感、单个整流二极管和单个储能电容组成的储存和释放能量的回路，共用一个由采样放大电路、MCU主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路。其电路结构简单、所用元件少；交替导通和关断信号稳定、可靠、一致性好。

Description

交互式PFC升压拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及一种PFC（功率因数校正）拓扑电路，特别涉及一种交互式PFC升压拓扑电路。

背景技术

PFC技术在工业中有着非常广泛的应用。其目的是为了改善电网的效能，提高用电器的功率因数，降低电网的谐波。PFC电路分为固定逻辑式和软件驱动式。软件驱动式PFC由于其灵活性目前广泛应用于变频空调，大功率数字电源等场合，按照其驱动方式分为：单极式和交互式。

1）单极式

如图1所示，单极式的特点是：结构简单。

其中，全桥整流电路D2把交流电整流成脉动直流电，MCU（又称单片微型计算机，下同）或DSP（又称数字信号处理器，下同）根据交流电的过零信号，脉动直流电的瞬时电压值，负载LOAD1的输出功率，ADC1前次采集到的电流值和VBUS的电压值等，输出适当的PWM方波到第一驱动器U1A，继而驱动第一开关器件Q1（MOS管或IBGBT）。随着第一开关器件Q1的导通，第一储能电感L1储能；随着第一开关器件Q1的关断，第一储能电感L1所储的磁能，通过第一整流二极管D1泵到VBUS上并由第一储能电容C1贮存；第三电阻R3是电流检测电阻，第四放大器U5A、第一电阻R1、第二电阻R2、第四电阻R4和第五电阻R5组成平衡式放大电路，第四放大器U5A的输出端ADC1将所测得的第一开关器件Q1的过零电流值通过MCU或DSP的ADC输入管脚传给MCU或DSP。

其存在的缺点是：功率不能太大。

2）、交互式

如图2所示，交错式PFC的特点是：输出功率大。

全桥整流电路D4把交流电整流成脉动直流电，MCU或DSP根据交流电的过零信号，脉动直流电的瞬时电压值，LOAD2的功率，ADC2或ADC3前次采集到的电流值和VBUS的电压值等，交替输出适当的PWM方波到第二驱动器U2A和第三驱动器U2B，继而驱动第二开关器件Q2和第三开关器件Q3（MOS管或IBGBT）与第二储能电感L2、第三整流二极管D3和第三储能电感L3、第五整流二极管D5轮流将所储能量泵到VBUS上并由C2上贮存；第八电阻R8和第十三电阻R13是电流检测电阻，第五放大器U6A、第六电阻R6、第七电阻R7、第九电阻R9、第十电阻R10和第六放大器U6B、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十四电阻R14、第十五电阻R15组成两路平衡式放大电路，第五放大器U6A和第六放大器U6B的输出端ADC2和ADC3将所测得的第二开关器件Q2和第三开关器件Q3的过零电流值通过MCU或DSP的ADC输入管脚传给MCU或DSP。

其存在的缺点是：电路复杂，由于电感和电阻等元件参数的离散性，两路驱动器电路性能一致性差，所输出的PWM脉宽需要分别补偿，软件复杂性高。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种输出功率高、结构简单的交互式PFC升压拓扑电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型的交互式PFC升压拓扑电路，包括由输入电路、整流电路、PFC主电路和输出电路构成的主回路，以及由采样放大电路、MCU主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路，所述PFC主电路由第四储能电感、第四开关器件、第五开关器件、第六整流二极管和第三储能电容构成，其中，第四储能电感输入端与所述整流电路相接，其输出端与第四开关器件的漏极、第五开关器件的漏极和第六整流二极管的正极共接，第四开关器件的源极和第五开关器件的源极均接地，第四开关器件与第五开关器件的栅极均与PWM驱动电路相接，第六整流二极管的负极通过第三储能电容与负载的关联接地。

所述采样放大电路为电流检测电路、VBUS电压检测电路和交流电压检测电路。

所述电流检测电路由电流采样电阻、电压比较放大器、第十六电阻、第十七电阻、第十九电阻和第二十电阻构成，其中，电压比较放大器的正向输入端通过第十七电阻与电流采样电阻的一端、第五开关器件的源极共接并接地，同时，通过第十六电阻、第二十二电阻接往供电电源，电流采样电阻的另一端接于整流电路，电压比较放大器的反向输入端通过第十九电阻接于整流电路，电压比较放大器的输出端接于所述的MCU主控电路。

所述第四开管器件和第五开管器件均为MOS管或IBGBT管。

所述第四开管器件和第五开管器件交替导通和关断。

与现有技术相比，本实用新型采用结构简单且由第四储能电感、第四开关器件、第五开关器件、第六整流二极管和第三储能电容构成的PFC主电路，使得第四开关器件和第五开关器件在交替导通和关断的过程中，共用一个由单个储能电感、单个整流二极管和单个储能电容组成的储存和释放能量的回路，共用一个由采样放大电路、MCU主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路。由此，使得本实用新型较现有技术中的交互式PFC升压拓扑电路结构简单、所用元件少；由于所述控制回路共用一个，因此，本实用新型PWM脉宽调制信号输出稳定，第四开关器件和第五开关器件接收到的交替导通和关断信号稳定、可靠、一致性好。

附图说明

图1为现有技术中单极式PFC升压拓扑电路图。

图2为现有技术中交互式PFC升压拓扑电路图。

图3为本实用新型的交互式PFC升压拓扑电路图。

具体实施方式

下面结构附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图3所示，本实用新型的交互式PFC升压拓扑电路，包括由输入电路、全桥整流电路（下称整流电路）、PFC主电路和输出电路构成的主回路，以及由采样放大电路、MCU(或DSP)主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路。

所述PFC主电路由第四储能电感L4、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第六整流二极管D6和第三储能电容C3构成，其中，第四储能电感L4输入端与所述整流电路相接，其输出端与第四开关器件Q4的漏极、第五开关器件Q5的漏极和第六整流二极管D6的正极共接，第四开关器件Q4的源极和第五开关器件Q5的源极均接地，第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的栅极均与PWM驱动电路相接，第六整流二极管D6的负极通过第三储能电容C3与负载的关联接地。

所述采样放大电路为电流检测电路、VBUS电压检测电路和交流电压检测电路和过零检测电路，其中，过零检测电路，VBUS电压检测电路和交流电压检测电路均为现有技术。

电流检测电路的作用是：实现对流过第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的电流检测和用于MCU（或DSP）调整控制第四开关器件Q4与第五开关器件Q5导通的脉冲宽度。

VBUS电压检测电路是：通过电阻分压电路，用MCU的ADC采集PFC电路的输出母线电压，实现对输出直流电压的监控。

交流电压检测电路是：通过电阻分压电路，用MCU的ADC采集交流电通过整流桥整流后脉动直流电电压的信息，计算出输入交流电的电压有效值。其作用是得到交流电的电压作为调整PWM脉宽的参数之一。

过零检测电路用于检测交流电的频率和过零点。

所述电流检测电路由电流采样电阻R18、电压比较放大器U7A、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19和第二十电阻R20构成，其中，电压比较放大器U7A的正向输入端通过第十七电阻R17与电流采样电阻R18的一端、第五开关器件Q5的源极共接并接地，同时，通过第十六电阻R16、第二十二电阻R22接往供电电源VCC，电流采样电阻R18的另一端接于整流电路，电压比较放大器U7A的反向输入端通过第十九电阻R19接于整流电路，电压比较放大器U7A的输出端接于所述的MCU主控电路。

如图3所示，当第四开关器件Q4或第五开关器件Q5导通时，流过电流采样电阻R18的电流会产生微弱电压，将该电压输入到电压比较放大器U7A的正向输入端，再由电压比较放大器U7A的输出端将该信号送往MCU主控电路的ADC端，从而检测出流过第四开关器件Q4或第五开关器件Q5的电流值。

所述第四开关器件Q4和第五开关器件Q5均为MOS管或IBGBT管。

工作时，交流电通过端子L和N输入到全桥整流电路D7，整流后的脉动直流电经所述的PFC主电路储能和释放，传输给负载LOAD3。

工作过程：

当PWM驱动电路发出令第四开关器件Q4导通、第五开关器件Q5关断的信号时，第四储能电感L4由于流过电流而储能，PWM驱动电路发出令第四开关器件Q4关断的信号，由于电感电流不能突变的特性，当第四开关器件Q4关断后（此时，第五开关器件Q5仍处于关断状态），在其两端产生感应电动势，该电动势的方向迫使第六整流二极管D6导通，由此接通输出回路，此时，存储于第四储能电感L4的磁能转为电能提供给第三储能电容C3和负载LOAD3；当PWM驱动电路发出令第五开关器件Q5导通、第四开关器件Q4关断的信号时，第四储能电感L4由于流过电流而储能，PWM驱动电路发出令第五开关器件Q5关断的信号，由于电感电流不能突变的特性，当第五开关器件Q5关断后（此时，第四开关器件Q4仍处于关断状态），在其两端产生感应电动势，该电动势的方向迫使第六整流二极管D6导通，由此接通输出回路，此时，存储于第四储能电感L4的磁能转为电能提供给第三储能电容C3和负载LOAD3。以此形式循环，使得第四开关器件Q4和第五开关器件Q5交替导通、关断，而第四储能电感L4处于储能、释能的工作过程中。

本实用新型可以在共用一个储能电感（即第四储能电感L4）、一个PFC二极管（即第六整流二极管D6，也可以多个二极管并联，串联）和两个开关器件（即第四开关器件Q4和第五开关器件Q5）的PFC主电路的情况下，完成交互式PFC的工作任务。

本实用新型中的MCU主控电路会根据检测得到的交流电源的过零信号、加载到负载LOAD3上的电压大小VBUS、通过电压比较放大器U7A采集的流过第四开关器件Q4或第五开关器件Q5的电流信息和负载LOAD3消耗的功率等信息，通过MCU主控电路输出适当占空比的方波信号到PWM驱动电路，再由PWM驱动电路输出驱动能力更高的方波驱动功率管第四开关器件Q4和第五开关器件Q5。由于第四开关器件Q4和第五开关器件Q5交替导通和关断，所以可以共用以上所述的电压泵电路和电流检测电路，简化了电路和软件。

其工作原理是：第二十一电阻R21、第四电容C4和第二十二电阻R22组成的分压电路给电压比较放大器U7A提供所需的偏置电压，当MCU主控电路使第四开关器件Q4导通，第五开关器件Q5关断时，电压比较放大器U7A、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、第二十电阻R20和电流采样电阻R18组成的电流放大器给MCU主控电路提供通过第四开关器件Q4的电流量，第四储能电感L4由于流过一定的电流而储存了能量，当MCU主控电路使第四开关器件Q4关断时，第四储能电感L4储存的能量通过第六整流二极管D6泵到第三储能电容C3储存和供应普通负载LOAD3；当MCU主控电路使第五开关器件Q5导通，第四开关器件Q4关断时，电压比较放大器U7A、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十九电阻R19、第二十电阻R20和电流采样电阻R18组成的电流放大器给MCU主控电路的ADC输入端提供通过第五开关器件Q5电流量，第四储能电感L4由于流过一定的电流而储存了能量，当MCU主控电路使第五开关器件Q5关断时，第四储能电感L4储存的能量通过第六整流二极管D6泵到第三储能电容C3储存和供应负载LOAD3。由于只有一个第四储能电感L4和一个PFC整流二极管，所以可以共用一个电流检测电路。

这里MCU主控电路和PWM驱动电路也可以用专用的PFC芯片取代，利用本专利上述原理实现交互式PFC的功能。在这里交流电过零检测电路、VBUS电压检测电路和交流电电压检测电路的原理比较简单，这里不一一赘述了。

以上内容是结合具体的优选实施方式，对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种交互式PFC升压拓扑电路，包括由输入电路、整流电路（D7）、PFC主电路和输出电路构成的主回路，以及由采样放大电路、MCU主控电路和PWM驱动电路构成的控制回路，其特征在于：所述PFC主电路由第四储能电感（L4）、第四开关器件（Q4）、第五开关器件（Q5）、第六整流二极管（D6）和第三储能电容（C3）构成，其中，第四储能电感（L4）输入端与所述整流电路（D7）相接，其输出端与第四开关器件（Q4）的漏极、第五开关器件（Q5）的漏极和第六整流二极管（D6）的正极共接，第四开关器件（Q4）的源极和第五开关器件（Q5）的源极均接地，第四开关器件（Q4）与第五开关器件（Q5）的栅极均与PWM驱动电路相接，第六整流二极管（D6）的负极通过第三储能电容（C3）与负载（LOAD3）的关联接地。

2.根据权利要求1所述的交互式PFC升压拓扑电路，其特征在于：所述采样放大电路为电流检测电路、VBUS电压检测电路和交流电压检测电路。

3.根据权利要求2所述的交互式PFC升压拓扑电路，其特征在于：所述电流检测电路由电流采样电阻（R18）、电压比较放大器（U7A）、第十六电阻（R16）、第十七电阻（R17）、第十九电阻（R19）和第二十电阻（R20）构成，其中，电压比较放大器（U7A）的正向输入端通过第十七电阻（R17）与电流采样电阻（R18）的一端、第五开关器件（Q5）的源极共接并接地，同时，通过第十六电阻（R16）、第二十二电阻（R22）接往供电电源（VCC），电流采样电阻（R18）的另一端接于整流电路（D7），电压比较放大器（U7A）的反向输入端通过第十九电阻（R19）接于整流电路（D7），电压比较放大器（U7A）的输出端接于所述的MCU主控电路。

4.根据权利要求1所述的交互式PFC升压拓扑电路，其特征在于：所述第四开管器件（Q4）和第五开管器件（Q5）均为MOS管或IBGBT管。

5.根据权利要求1所述的交互式PFC升压拓扑电路，其特征在于：所述第四开管器件（Q4）和第五开管器件（Q5）交替导通和关断。

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